電子封裝低溫互連技術研究進展（下）

黃天 甘貴生 劉聰 馬鵬 江兆琪 許乾柱 陳仕琦 程大勇 吳懿平

(重慶理工大學 金龍精密銅管集團股份有限公司 華中科技大學)

摘要：

電子產品作為現代電子行業的產物，已逐漸成為社會發展的主導力量，在電子產品封裝過程中，電子器件的封裝溫度過高會產生較大的熱應力，進而降低其可靠性。隨著電子器件趨于微型化、高功率化、高集成化，其服役溫度越來越高，如何解決電子器件“低溫封裝、高溫服役”這一問題已迫在眉睫。本文就低溫電子封裝材料及方法，從封裝母材、連接材料及連接方法三個方面進行總結，指出只有從母材、焊材及焊接方法同時入手，才能達到最佳技術效果，提出在母材表面制備鏈長更長的、易去除的臨時保護層，采用燒結納米銀、納米銅或瞬時液相混合焊料，借助與焊縫非直接接觸的超聲攪拌等材料和方法有望克服低溫封裝的技術瓶頸，同時提出采用微米級混合焊料并輔以超聲振動實現連接的新思想。

2.3低溫封裝方法的研究

(1)超聲互連技術的研究

超聲互連具有連接時間短、溫度低、壓力小、接頭導電性能和機械性能好、對環境友好等眾多優點，廣泛應用于電子封裝領域。它的原理包括：①當超聲波作用于液體(或熔體)焊料時，液體內局部出現拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和而從液體中逸出，形成小氣泡，這些小氣泡在超聲波作用下產生振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生的沖擊波可形成瞬時的高溫高壓，使得某些在常溫常壓條件下不能夠發生的化學反應得以進行，或使一些本來熔點較高的焊料局部熔化并形成結合，這種作用稱為超聲的空化效應[108]；②當超聲波作用于固體焊料時，在超聲震蕩作用下，焊料與母材發生激烈碰撞，倘若焊料是固體顆粒則將加速破除氧化膜，超聲的高能量和焊料顆粒的高活性引發并加速界面反應。超聲互連技術能在一定程度上改善封裝溫度與接頭連接性能，目前關于超聲互連技術的研究很多，在電子封裝領域主要集中在Al[109]和Cu[110,111]等金屬材料基板以及陶瓷材料[112]等方面。

關于超聲波作用于液體(或熔體)焊料的研究，相關報道有許多。對于陶瓷與金屬的互連，Kolenak等[113]使用Zn-Al-Mg焊料將AlN與Cu基板在370℃溫度下通過超聲作用直接連接，其接頭是由于活性的Zn、Al和Mg與Cu基板表面相互作用而形成的，沒有形成新的過渡相，使用Zn-5Al-3Mg焊料形成的AlN-Cu接頭最大剪切強度為47MPa，使用相同焊料形成Cu-Cu接頭的最大剪切強度為93MPa。Wu等[114]采用Sn-Zn-Sb焊料，在250℃低溫超聲輔助下完成了Al2O3陶瓷與Cu的連接，Al2O3/Sn-Zn-Sb界面無反應層，焊料填充陶瓷表面的凹槽，形成了牢固的機械結合，接頭剪切強度達到了24.79MPa。上述研究雖然在低溫下實現了陶瓷與金屬的互連，但陶瓷與金屬間未實現冶金結合，這可能導致接頭強度不穩定。對此，Xu等[115]在250℃低溫、超聲輔助0.5s的條件下得到了藍寶石與Sn-3.5Ag-4Al焊料的連接接頭，超聲輔助焊接之前，先在不同時間的超聲波熱浸下制作接頭，在焊接過程中，當超聲熱浸時間為10~50s時，接頭的剪切強度從14MPa迅速提高到25MPa；在強化過程中，隨著超聲熱浸時間從100s延長到300s，接頭的剪切強度從32MPa緩慢提高到40MPa。Wu等[116]在250℃低溫超輔助作用下，使SiC表面由于高溫氧化而形成的SiO2與Sn3.5Ag4Ti活性焊料中的Ti發生反應，在界面處形成納米厚度的非晶SiO2-Ti層，促進了兩種不同晶體之間的結合，其接頭的剪切強度約為28MPa；當使用Zn-5Al-3Cu焊料[117]、Sn-9Zn-2Al焊料[118]以及Zn-Al-Mg焊料[119]時，同樣采用超聲輔助對SiC進行低溫連接，均能得到較高剪切強度的接頭。

除了陶瓷與金屬的連接外，超聲互連技術也廣泛應用于金屬之間的連接。Ji等[120]使用Sn-0.7Cu焊料，在超聲輔助250℃低溫、0.2MPa壓強的條件下成功連接了Cu與SiC(鍍層為Ag、Ni)，當超聲輔助5s時接頭的剪強度達到最大值80.7MPa；當超聲輔助10s時得到了由8μm(Cu,Ni)6Sn5和1.5μmCu3Sn組成的全IMC高性能接頭，雖然接頭強度略微降低到69.0MPa，但該接頭擁有比傳統回流焊接頭更高的熔點、導熱率和機械強度。Bi等[121]在140℃低溫空氣中實現了純Cu與Sn-In焊料的超聲輔助瞬時液相連接，超聲30s時接頭剪切強度達到最大值22.76MPa，通過觀察斷口發現，斷裂發生在細晶Cu6Sn5的表面，脆性斷口部分被粗晶Cu11In9覆蓋。Yi等[122]采用泡沫Cu作為強化結構，250℃時Cu基體與泡沫Cu/SAC305復合焊料層之間形成了良好的冶金結合，超聲空化效應引起的晶粒細化顯著地提高了焊點的剪切強度，泡沫Cu/SAC305復合焊點的剪切強度高于SAC305焊點。

當超聲波作用于固體焊料時，能使焊料顆粒與母材發生激烈碰撞，加速破除氧化膜，超聲的高能量和焊料顆粒的高活性引發并加速界面反應。Ji等[123]將40μmSn顆粒與10μmNi顆粒通過機械混合后作為焊料，在超聲輔助、250℃低溫和0.4MPa壓強下成功得到了Ni-Ni接頭；隨著Ni顆粒的加入接頭中Ni3Sn4的含量逐漸增加，當Ni含量達到24wt.%時接頭幾乎由單一的Ni3Sn4組成，接頭剪切強度達到43.4MPa。甘貴生等[11,124-126]采用45μmZn顆粒與20~38μmSAC0307顆?；旌闲纬珊噶咸畛浣宇^的新方法，在超聲輔助、220℃低溫下成功實現了Cu-Cu的低溫互連，接頭剪切強度達34.2MPa，在150℃時效6h后剪切強度降低到23.82MPa，12~48h后降至21~22MPa，96h后降至16.58MPa。此外，他們還通過向SAC0307焊膏中加入0.5%的納米Ni顆粒(80nm)來提高接頭的連接性能[127,128]，在超聲輔助5s、210℃低溫的情況下得到了剪切強度高達41.20MPa的Cu-Cu接頭，較SAC0307焊膏得到的Cu-Cu接頭剪切強度(31.59MPa)高出了30.4%。為了進一步探究超聲作用于固體焊料時的最佳超聲工藝，Jiang等[129]采用雙超聲工藝，使用40%Zn+60%SAC0307作為焊料在220℃的低溫下成功實現了Cu-Al異質材料的高質量互連，與單超聲輔助互連相比，雙超聲工藝下所得到的Cu-Al接頭焊縫中IMC更加平整，組織更加均勻，接頭的平均剪切強度比單超聲接頭提高了約18%。

此外，超聲互連技術在電子封裝領域的另一個重要應用是超聲引線鍵合，該技術利用壓力和超聲振動得到高可靠性互連，從20世紀60年代起，電子封裝市場就一直被這項技術所主導。該技術可在超短的時間內(數十到數百毫秒，取決于引線直徑和材料)實現高質量互連，引線/基板界面會出現非常復雜的物理現象。由于這些現象的動態變化、較短的處理時間和封閉的界面，經過幾十年的使用，對其潛在機制仍缺乏很好的理解。根據最新的研究[130-132]，超聲引線鍵合過程可分為四個階段：在第一階段，由于壓力的作用，金屬絲首先發生塑性變形，超聲振動被激活，但只要振幅不夠大，導線仍粘在基板上；第二階段中，當振幅超過閾值時，導線和基板之間開始摩擦；第三階段為軟化階段，此時引線與基板界面發生連續塑性變形并形成微焊縫；在第四階段中，界面形成微焊縫，發生互擴散現象。

超聲互連技術主要是運用超聲波在液體或熔體中產生的空化效應和在固體中對固體焊料顆粒以及母材表面氧化膜的破除作用，所以在連接過程所需額外施加的溫度較低，這與電子封裝的低溫化發展趨勢完美契合，其優點主要有：可連接材料范圍廣，不受材料本身性能的限制，如Al、Cu、Mg等金屬和SiC、Al2O3等陶瓷以及一些復合材料的連接均可使用；連接性能優異，接頭強度較高，還可通過向焊料中加入增強相如[133]：納米金屬粒子、陶瓷粒子、碳納米管、石墨烯等來優化連接性能；連接過程中不需要對母材進行特殊的表面處理，不需要添加助焊劑，焊點牢固可靠、力學性能優異；可數字式控制連接工藝，能減少連接缺陷，提高生產效率，降低生產成本等。

(2)飛秒激光技術的研究

飛秒激光作為一種先進的加工技術，以其“冷加工”、多光子非線性效應、突破衍射極限等特質可實現對任意材料由微納到宏觀尺度復雜三維零件的精密加工，在微納和精密機械、微納電子、微納光學、表面工程、生物醫學等領域展露了巨大的市場應用前景[134]。飛秒激光應用于電子封裝領域主要有兩個作用，一是用于制備連接母材表面的微納結構，這是利用了飛秒激光超短的脈沖持續時間和極高的輻照強度，通過調整激光功率、掃描速度和掃描間隔等加工參數，可以對材料表面進行處理或改性，進而方便地在材料表面制備出微納結構。例如，Wang等[135]提出了一種提高界面結合強度的有效方法，即利用飛秒激光在Cu表面制備Cu微錐陣列(錐形高度約為55~60μm，兩個相鄰錐形之間的距離約為50~60μm)如圖24所示，中間焊料使用燒結納米Ag漿，在較低的連接溫度和外加壓力下納米Ag漿很容易燒結成型，并與Cu微錐陣列形成良好的結合，基于接觸面積的增加和機械互鎖作用，260℃下得到的低溫互連接頭的剪切強度達65.53MPa。在文獻[136]中，研究者提出了一種利用飛秒激光制作微錐陣列和Ag-Zn-Cu金屬間化合物作為輔助材料鍵合Cu的方法，微錐陣列引起的接觸面積增加以及金屬間化合物生長引起的機械鎖緊作用對鍵合接頭提供了更好的機械性能，在300℃低溫、30min保溫時間下得到的接頭剪切強度可達120MPa。Zhai等[137]利用飛秒激光在SiC-SiC表面加工微槽結構，制備環境阻隔涂層(EBCs)，飛秒激光加工微槽結構拓寬了EBCs與SiC-SiC表面的接觸面積，在EBCs與SiC-SiC表面之間形成了互鎖結構，結合強度可提高約5.5%，達到臨界負荷的時間延長了11.2%。Chen等[138]使用不同掃描速率的飛秒激光刻蝕Al-Li合金表面，在掃描速率為25、20、15、10和5mm/s時，樣品的表面自由能分別提高了133%、170%、192%、169%和95%，樣品的結合強度分別提高了81%、95%、107%、91%和78%。Jiang等[139]提出了一種基于飛秒激光制造材料表面微納結構的方法來提高W-Cu接頭的連接強度，首先采用飛秒激光燒蝕法在W表面設計并制備了4種表面結構即原始結構、納米紋波、微立方陣列和微坑陣列，然后通過熱壓連接得到W-Cu接頭，經過飛秒激光表面處理的W-Cu接頭結合強度達到了120.43MPa，高于未經過飛秒激光燒灼處理的接頭強度(101.58MPa)。

飛秒激光應用于電子封裝領域的第二個作用是利用激光產生的巨大熱量，達到瞬時加熱的目的，激光瞬時加熱具有功率密度高、加熱迅速和熱影響區小等優點。Jang等[140]使用激光輔助鍵合技術(LAB)將Cu凸點與Si晶片進行連接(圖25)，在LAB過程中Si晶片所吸收的激光光能被轉換為熱能，然后熱量通過晶片傳導到下方的Cu凸點和SAC305焊料中，將焊料瞬間加熱至熔化溫度，而后冷卻至室溫完成鍵合。Liu等[141]使用激光輔助燒結納米Ag顆粒的方法鍵合Si片與Cu襯底(圖26)，增大外加壓力、激光功率、燒結溫度以及輻照時間可直接提高接頭的剪切強度，在3MPa壓強、70W激光功率和1min極短輻照時間下鍵合接頭的剪切強度達到了10MPa，5min時剪切強度可達到20MPa，與常規幾十分鐘燒結所得到的接頭剪切強度相當。Furuya等[142]采用激光功率為6kW、移動速度為200mm/min，在15L/min流通量的Ar氣保護下實現了Al-Cu激光釬焊，焊料中加入Ni后接頭強度由原來的61MPa提升到100MPa。Kim等[143]提出了一種快速、高效的玻璃(熔融SiO2)微流體器件制造工藝，玻璃基板在氫氟酸(HF)中刻蝕20~30min后再使用脈沖能量為2.7μJ、移動速度為20mm/s的飛秒激光對其進行連接，其接頭可承受至少1.4MPa的壓強且沒有任何泄漏或破裂，這比傳統的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/玻璃接頭或PDMS/PDMS接頭所能承受的最大壓強高3.5倍。Richter等[144]使用超短飛秒激光焊接熔融SiO2，他們將飛秒激光脈沖聚焦到兩個接觸的熔融SiO2樣品界面上，激光在聚焦位置產生瞬時局部熱量，優化工藝參數后得到的SiO2接頭達到了SiO2塊狀材料破斷應力的75%。Chambonneau等[145]采用皮秒超快激光對Si、Cu進行連接，減少了Si的非線性效應，在9.8ps的脈沖持續時間下獲得了剪切強度為2.2MPa的連接接頭。Penilla等[146]采用不同脈沖長度的激光進行ZrO?陶瓷之間的連接(圖27)，發現采用飛秒脈沖長度的中轉速(50(°)s?1)連接的接頭剪切強度最低約為7MPa，使用皮秒脈沖長度的低轉速(30（°）s?1)得到的接頭剪切強度平均為17MPa，使用皮秒脈沖的中轉速(50(°)s?1)得到的接頭剪切強度約為40MPa，獲得的接頭最高剪切強度與700~900℃的高溫下陶瓷與金屬的擴散連接獲得的接頭相當。

(3)局部加熱技術的研究

局部加熱技術是指在封裝過程中使熱量僅集中在鍵合區的微小局部，雖然有部分熱量從加熱鍵合區傳導出來，但由于加熱時間短，熱容量有限，襯底仍然保持低溫，這能有效避免了高溫對溫度敏感部件的不利影響，降低了鍵合熱應力，從而提高了封裝質量和成品率。此外，局部加熱也降低了整體加熱封裝過程中母材間的雜質擴散，提高了器件性能。Sosnowchik等[147]在Si表面用Au、Ag、Ni以及SAC305焊料作為涂層，使用局部感應加熱將Si與鋼進行連接，結合過程僅用時3~5s且不會破壞鋼的表面處理工藝。Chen等[148]選擇合適的高頻電源頻率和優化感應線圈，僅在幾秒鐘內實現了密封封裝的快速選擇性感應加熱，整個加熱過程中只有局部區域(包括蓋、金屬環和焊環)能被有效加熱到預定溫度以熔化焊料，而陶瓷封裝體和芯片保持在低溫狀態下，有效避免高溫對溫度敏感的芯片或電路造成的損壞。Liu等[149]提出了一種通過電磁感應線圈局部加熱的新型陶瓷封裝方法，高頻(f=350kHz)感應加熱時焊料回路附近的溫度在幾秒鐘內就能達到320℃，而陶瓷底部的溫度僅為100℃，從而避免了陶瓷封裝體內部溫度敏感元器件和集成電路的高溫損壞，接頭的剪切強度最高達到了13.96MPa。Peng等[150]報道了一種在Ag納米線膏與Cu襯底連接過程中的自發局部加熱機制，局部加熱機制去除了焊膏中的有機化合物并增強了Cu-Ag、Ag-Ag之間的金屬鍵合，在低溫無壓條件下接頭剪切強度為5.7MPa，且在101.3nOhm·m范圍內表現出超低電阻率。還有文獻[151]報道了一種晶圓級封裝的局部感應加熱方法，探究發現焊料環邊緣寬度(0.1~0.5mm)越大，加熱速度越快，焊料環與環中心的溫差約為180℃，說明該方法具有明顯的局部加熱效應。

微機電系統(MEMS)是在日常生活中廣泛應用的微尺度器件，其大量應用于生物醫學、汽車和航空航天、通信、電力和能源等方面。Yang等[152]報道了一種用于MEMS器件晶圓級封裝的新型鍵合方法如圖28所示，采用電磁線圈對Si襯底上的電鍍磁膜(Ni-Co合金)進行局部感應加熱，當溫度達到183℃時，Ni-Co合金表面的Sn-Pb鍍層熔化，在1min內就能得到剪切強度高于18MPa的Si-Si鍵合接頭，充分減少了高溫對MEMS器件帶來的影響。目前，MEMS器件的典型設計原則是其組件表面避免接觸，因為接觸表面摩擦所產生的粘滯現象對于器件來說是致命的。對此，Gkouzou等[153]在MEMS設備上加入了感應線圈，對其接觸表面進行局部加熱，只需將一個表面加熱到300℃以上，就可以將表面的粘附力從500nN降低到200nN，在降低表面粘附力的同時還保證了MEMS器件不受到高溫的影響。

(4)其它連接工藝

攪拌摩擦釬焊是以表面摩擦熱為熱源，采用無攪拌針工具并輔之以能與母材反應的釬料，能以冶金反應(共晶反應為主)代替塑性流動實現去膜并拓寬焊幅，是攪拌摩擦搭接焊與釬焊的改進工藝，能解決攪拌摩擦搭接焊存在的攪拌針磨損、匙孔、焊幅狹窄、鉤狀缺陷等問題。甘貴生等[154-156]采用攪拌輔助低溫(半固態區間)釬焊技術，在222℃的低溫下制備了Sn-0.68Cu-0.45Ag＋1%Ni顆粒(80nm)納米復合釬料釬焊接頭，機械攪拌在破碎樹枝晶和加速元素擴散的同時降低了液相的溫度梯度和成分過冷，大大削弱了釬料基體中金屬間化合物Cu6Sn5的枝晶生長，促使針狀Cu6Sn5破碎呈短棒狀，接頭剪切強度從26.56MPa提高到32.64MPa，提高了22.9%。Daly等[157]采用永磁攪拌(PMS)來改變Sn-2Ag-0.5Cu(SAC205)焊料的晶體織構和耐蝕性，PMS處理后SAC205焊料的腐蝕速率從31mpy顯著降低至8mpy，PMS將層狀結構轉變為等軸晶。

脈沖電流鍵合[158]，又稱火花等離子燒結，常用于激光透明材料或大尺寸材料的連接，鍵合過程如圖29。該技術是通過脈沖電流與壓力在真空中的共同作用降低鍵合溫度，工藝參數包括鍵合高度、施加壓力和加熱速度等。Lin等[159]首次使用摩擦電納米發電機(TENG)來驅動陽極鍵合，雖然陽極鍵合技術已廣泛應用于微機電系統(MEMS)封裝或太陽能電池封裝，但是傳統的鍵合電源需要高電壓和大電流，在鍵合過程中產生了巨大的能量損耗，限制了陽極鍵合的廣泛應用?；赥ENG的陽極鍵合系統具有更低的電流和更少的轉移電荷要求，在350℃和TENG的驅動下，100mm2的Si/玻璃界面可以在30s內緊密結合，剪切強度為15.38MPa，而利用TENG驅動的兩步陽極鍵合法得到的Si/玻璃/Si接頭可靠性良好，最大剪切強度達到了8.49MPa。Xin等[160]使用脈沖電流鍵合(SPS)，成功實現了Cu納米晶與Si3N4(Ti鍍層)的連接，由包含Ti4Cu2O(Ti3Cu3O)的Cu層和Ti2O層所形成的兩層結構的接頭具有最好的結合性能，剪切強度達到了42.93N/cm2。

3總結與展望

為了延續甚至超越摩爾定律，電子元器件的封裝密度不斷提高，這也導致其功率以及服役溫度不斷提高，傳統的電子封裝技術已很難滿足電子元器件“低溫封裝，高溫服役”這一要求。采用低溫電子封裝技術能夠解決電子元器件在封裝過程中，因溫度過高而引起的可靠性問題，同時還能滿足其在高溫環境下穩定服役。但是如何提高電子元器件長期高溫服役條件下的可靠性，以及采用低溫電子封裝技術時接頭剪切強度不夠高、穩定性不夠好，或工藝困難、成本偏高、技術是否為環境友好型等問題，還需要研究者們不斷探索。

(1)存在的問題

在母材方面，表面活化是利用高能粒子轟擊使母材表面的有機物及雜質在真空環境下分解實現母材表面能量降低，進而實現母材間鍵合，可應用于陶瓷材料與陶瓷材料、金屬材料與金屬材料、金屬材料與陶瓷材料之間，但對氧化物類材料像SiO2、石英等不適用；表面活化所形成的接頭鍵合強度較低，可進行退火處理以提高強度，但較高的退火溫度可能導致材料熱變形，故一般使用在母材上沉積附著層的方法來提高鍵合強度，然而該方法存在需要極高真空系統、設備昂貴、大規模生產成本較高等缺點。母材表面納米化是在母材表面濺射納米連接層或形成納米尺寸結構，在納米結構上涂覆納米材料或在母材表面直接生成納米材料，利用納米材料特殊的物化性質達到降低封裝溫度目的；但具有極高表面能的納米材料極易氧化，在連接前就有可能發生聚合，過分納米化會導致氧化反應更為嚴重，氧化物更難去除，同時其制備工藝和成本也不利于大批量生產。SAM使用自組裝單層膜作為母材表面的臨時保護層，可防止母材在空氣中快速氧化和污染，表面處理工藝簡單、成本低廉，但若要使SAM達到更好的防氧化目的，只能選取鏈長更長的單層膜，這就勢必增加了完全去除烷烴硫醇的難度，其相關研究還有待深化。

在焊接材料方面，納米材料或納米復合焊料是利用納米材料的體積效應、表面效應、量子尺寸效應等實現材料極高表面能和熔化溫度降低，進而實現低溫互連；由于納米顆粒進行燒結會施加一定的壓力，可能會對電子器件造成損傷，為了減少壓力帶來的副作用，需要選用無壓燒結的方式進行封裝；納米材料或納米復合焊料所得到的接頭強度較低，為了增加強度，一般采用具有納米形貌的塊體材料作為連接層，或者直接對母材表面進行納米化處理。低溫焊料是利用焊料本身的低熔點特性實現低溫互連，但Sn-Bi合金較脆、Sn-In合金較軟；為了改善低溫焊料性能，向其中加入一些其他物質，如合金元素、稀土元素或納米材料等，起到細化合金內部結構，減小IMC尺寸，增加焊料濕潤性的作用，一定程度上也提高了接頭強度。納米-微米顆?；旌虾噶?，納米顆粒可以使燒結接頭更為致密，而微米顆?？梢詼p輕燒結時顆粒的團聚和裂紋的形成；在被連接母材中間加入低熔點的中間層，使中間層與部分母材形成混合焊料的瞬時液相連接，在加熱過程中中間層與母材部分熔化，通過重新凝固或擴散作用生成高熔點的金屬化合物而形成連接，該方法連接形成的接頭性能優異，而且適合連接特殊材料，如單晶材料、先進陶瓷、金屬基復合材料等，但由于中間層材料的選擇較少，導致混合焊料種類單一，所以應用受到較大限制。

在封裝方法方面，當焊件的厚度及硬度較高時，超聲互連所需功率呈指數增大，因而增加了工藝成本；一般情況下，將超聲與其他技術合理組合、搭配使用，或者將超聲作為輔助手段，以其它封裝技術為主，可以最大程度地降低工藝成本，提高連接強度。飛秒激光技術的激光峰值功率高，容易引起材料解離，且熱效應小，加工精度高，在材料精密加工方面有獨特的優勢，應用范圍廣泛；但精確選取激光參數仍具有較大難度，技術和所需設備加工成本較高，對材料精確加工控制技術要求也較高，限制了技術的廣泛推廣；激光瞬時加熱封裝技術是指在封裝過程中使熱量瞬間提升以達到封裝需求，其加熱功率密度高、加熱穩定且熱影響區小，但該方法需要樣品對激光透明，還需要對準激光，工藝較復雜，難以批量生產。局部加熱封裝技術是指在封裝過程中使熱量僅集中在鍵合區的微小局部，利用了感應線圈、微波等加熱方法，有效避免了高溫對溫度敏感部位的不利影響，降低了鍵合熱應力，從而提高了封裝質量和成品率；但仍存如感應加熱需要額外布置加熱線，增加了工藝的復雜性，以及微波加熱設備昂貴且必須在真空下進行等。

(2)發展方向

在母材方面，無論是表面活化還是表面納米化，都能起到改性母材表面的目的，但基于昂貴的設備、冗長的制造工藝及易氧化的特性，較高的生產周期和成本不利于大規模生產；基于OSP焊盤的制備先例，在母材表面制備臨時保護層的SAM，表面處理工藝簡單、成本低廉，若能選取鏈長更長的易去除的單層膜，勢必會加快應用進程。

在焊接材料方面，燒結納米Ag、納米Cu或納米Cu6Sn5等及其改性納米焊料(或焊膏)，能夠實現低溫燒結連接，但由于納米顆粒極易氧化，燒結之后容易產生空洞等缺陷，其長期可靠性沒有得到充分的驗證，制約了其大規模推廣；Sn-Bi低溫焊料熔化溫度較低，但Sn-Bi低溫焊料太脆及Bi偏析問題始終無法解決，加之其不具有高溫服役特性，故只能用于極個別場合；納米-納米、納米-微米顆粒混合焊料，充分發揮納米和微米顆粒的特性，實現兩者性能的互補，具有一定的應用基礎，但納米顆粒氧化、顆粒團聚和混合不均勻是其必須的克服問題；加入低熔點的中間層與部分母材形成混合焊料的瞬時液相連接，在較低的連接溫度下通過擴散生成具有高熔點金屬化合物焊點，焊點具有較好的高溫熱可靠性，具有較好的發展前景，但生產過程中其擴散時間往往無法承受，若能選擇合適的擴散元素并加快其擴散進程，必將推動瞬時液相連接焊料的應用。

在封裝方法方面，感應加熱、微波加熱、飛秒激光、脈沖電流等都是利用瞬態或局部加熱實現焊縫處快速溫升，而母材溫升變化不明顯的特點，使焊料在極短時間內熔化從而實現連接，這對加熱方式和能量密度提出了新的要求，同時較大的溫度梯度會造成材料間膨脹不匹配增加開裂和應力集中的風險。超聲和機械攪拌，是通過加快焊料顆粒(或熔體)的運動和碰撞，加速原子運動遷移的同時，實現焊料顆粒與母材的碰撞去膜、甚至產生局部熱效應進而實現連接，降低焊接溫度作用明顯，但機械攪拌造成外來顆粒的混入和氣孔缺陷無法克服，超聲攪拌具有與焊縫非直接接觸的優勢能很好的克服上述問題，具有較好的應用前景。

解決某一個技術問題從來都不是孤立的方案，只有從母材、焊材及焊接方法同時入手，才能達到最佳技術效果。作者近期提出采用微米級混合焊料并輔以超聲振動，在低溫下(180℃)實現了Cu-Cu固相互連(見圖30)，焊點剪切強度達29.76MPa，完全能滿足封裝需要。項目通過焊料顆?；?，焊前保持不同焊料獨立的物理屬性，低溫焊接時復合焊料顆粒間通過形成固溶或共晶或形成IMC實現顆粒間連接；超聲加速碰撞破除母材表面的氧化膜，加速顆粒遷移運動進而加快原子擴散，實現焊料和母材間結合。該方案焊料顆粒為微米級故而不易氧化，焊前顆粒不發生反應和熔合因而具有振動的最大自由度，焊接過程中無需助焊劑，超聲振動下顆?；旌细泳鶆?，焊縫質量高，具有較好的研究和應用前景。

免責申明：本文內容作者：黃天 甘貴生 劉聰 馬鵬 江兆琪 許乾柱 陳仕琦 程大勇 吳懿平(重慶理工大學 金龍精密銅管集團股份有限公司 華中科技大學)。文字、素材、圖片版權等內容屬于原作者，本站轉載內容僅供大家分享學習。如果侵害了原著作人的合法權益，請及時與我們聯系，我們會安排刪除相關內容。本文內容為原作者觀點，并不代表我們贊同其觀點和（或）對其真實性負責。

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